基于光纤光栅传感器的架空输电线路覆冰在线监测系统的研究

摘要

架空输电线路覆冰会造成导线断线、杆塔倒塌、绝缘子闪络等事故，给社会造成了巨大的经济损失。因此，对架空输电线路进行覆冰在线监测可及早发现线路隐患，减少因覆冰引起的线路故障。现有输电线路覆冰在线监测系统多由电子式装置组成，存在易受电磁干扰、使用寿命短、需要现场电源等问题。为了解决这些问题，本文提出使用光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)进行输电线路覆冰在线监测。
　　 试验中发现粘结剂对FBG的应变测量的灵敏度和可靠性有很大影响，因此本文首先开展了粘结剂对FBG应变测量影响机理的研究，首次提出使用弹性体Maxwell模型分析粘结剂对FBG的影响，发现粘结剂粘度是影响应变测量的关键，通过理论分析与实验验证确定了粘结剂的选用原则：要求粘结剂的固化前粘度低，以获得一个较薄的粘胶层；要求粘结剂固化后粘度高，以增大应力松弛常数。使用本文提出的粘结剂选用原则可以在提高应变测量灵敏度的同时保证应变测量的长期稳定性。
　　 针对现有电子式称重传感器抗电磁干扰能力差、长期稳定性低等缺点，本文首次提出了柱式结构输电线路光纤布喇格光栅称重传感器。在传感器中使用两支FBG进行拉力测量，一支FBG进行温度补偿。由于传感器在覆冰测量中存在长期偏载受力的特殊性，使用有限元的方法对柱式结构偏载受力进行了深入的力学分析，发现柱式结构偏载受力时FBG传感区域应变分布极不均匀，抗偏载能力很差。为解决这一问题，设计了柱式与闭合U型槽相结合的传感器结构，将应变分布不均匀度从13.4％降低到2.01％，实现了在保持拉力测量灵敏度不变的情况下，提高传感器的抗偏载能力。对传感器分别进行了拉力特性试验，温度影响试验以及气候室模拟覆冰试验，获得了传感器的性能指标，验证了传感器在覆冰情况下的可靠性。
　　 为了进一步提高拉力测量的精确度同时减少FBG使用数量、提高一根光纤的监测范围，本文提出了S型结构光纤布喇格光栅称重传感器。对S型结构的弹性体进行了深入分析，发现可以通过减少S型结构腹板处正应变的方法，削弱其对主应变的影响，通过使用这种设计原则，使腹板中心轴两侧±45°方向主应变具有大小相同、方向相反的特性。利用这一特性仅使用两支FBG就在实现拉力准确测量的同时消除了温度对拉力测量的影响。对传感器进行了拉力特性测试，结果显示，相比柱式结构FBG称重传感器，S型结构FBG称重传感器的测量误差从2.37％降低到0.863％。采用温度影响试验以及气候室模拟覆冰试验验证了传感器在覆冰情况下的可靠性。
　　 现有FBG倾角传感器通常使用裸光纤光栅直接连接重物，在覆冰的恶劣环境下可靠性差。为了在保证倾角测量灵敏度的同时提高倾角测量的可靠性，本文提出了基于等强度梁原理的小型化FBG倾角传感器。试验中发现，等强度梁上FBG传感位置对倾角测量灵敏度有很大影响，通过理论分析和有限元仿真的方法，获得了FBG传感位置与倾角测量灵敏度的关系。倾角试验结果表明，FBG倾角测量传感器在所需测量范围内拥有较高的灵敏度。气候室模拟覆冰试验表明，倾角传感器在覆冰情况下具有可靠性。
　　 风速对输电线路覆冰有很大影响，本文首次提出了基于光纤布喇格光栅的风速传感器，它具有无源、实时采集等优点。在传感器设计中，通过采用圆板和直线轴承联动的结构设计提高了传感器对风速的阻尼力，进而增大了测量灵敏度。提出使用等强度梁对阻尼力进行测量，在解决温度.应变交叉敏感的同时减少了FBG使用数量。现有公式不能确定阻尼力与风速传感形状之间的关系，本文提出采用有限体积(Finite Volume Method)的方法解决了这一问题，成功获得了风速传感器的阻尼系数。风洞试验表明，所研制的FBG风速传感器启动风速为3m/s，测量误差小于±0.5m/s。
　　 在所研发传感器的基础上，提出了基于光纤布喇格光栅的输电线路覆冰在线监测原理。该系统由光纤布喇格光栅传感器、OPGW、光纤波长解调仪，覆冰监测软件组成，通过使用波分复用(Wavelength Division Multiplexing)的方式，可实现利用一根通信光纤对上百公里范围内线路的分布式监测和预警。由于使用OPGW进行光信号传输，在输电线路杆塔处可以实现无源测量；采用光波长作为传感器监测量，系统不受导线舞动造成的光强度变化的影响；由于光纤布喇格光栅本身的特性，该系统还具有抗电磁干扰、使用寿命长、适合在恶劣温湿度环境下工作等优点。